Laserschneidmaschinen

Was sind Laserschneidmaschinen?

Integrierte Maschinen, die Metalle, Plastik, Dielektrika und vieles mehr mit einem fokussierten Laserstrahl anstelle eines mechanischen Messers oder Bohrers schneiden. Eine typische Maschine besteht aus einem Laser, einer Optik für die Strahlführung, einer Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Teils und/oder der Optik, einem optionalen Bildverarbeitungssystem und einer integrierten Steuerungssoftware.

Kurz gesagt: Eine Laserschneidmaschine verwendet einen fokussierten oder geformten Laserstrahl als präzises Werkzeug, das selektiv Material entfernt (abträgt). Der Abtragprozess kann warm oder kalt sein, abhängig von den Laserparametern und der Art des zu schneidenden Materials. Diese Ablation kann für Durchschnitte, Bohrungen oder zum Ritzen verwendet werden, d. h. um bis zu einer bestimmten Tiefe oder Materialoberfläche zu schneiden. Das Material kann von einer dünnen Plastikfolie bis hin zu Metall mit einer Dicke von mehreren mm reichen. 

Einige Maschinen scannen den Laserstrahl über ein feststehendes Werkstück. Einige bewegen das Werkstück relativ zu einem festen Laserstrahl. Und einige Maschinen verwenden eine Kombination aus beidem. Wichtig ist, dass alle verschiedenen Teile der Maschine und ihre Bedienung nahtlos in die Software integriert sind und in der Regel über eine benutzerfreundliche GUI gesteuert werden. Die neuesten Maschinen sind kompatibel mit IoT und Industrie 4.0. Einige Benutzer haben sich auch dafür entschieden, ihren Maschinenkauf mit der Entwicklung von Anwendungen zu verbinden, wobei der Maschinenhersteller Software/Hardware mit einem „Rezept“ für bestimmte Zielaufgaben liefert. 

Werfen wir einen genaueren Blick auf einige dieser Komponenten.

Bewegen Sie den Strahl, das Teil oder beides

Wie bei einer mechanischen Dreh- oder Fräsmaschine erzeugt eine Laserschneidmaschine Schnitte, indem sie den fokussierten Strahl relativ zu dem zu bearbeitenden Substrat bewegt. Es gibt drei Möglichkeiten, dies zu realisieren: (a) Bewegen Sie das Teil mit einem stationären Laserstrahl, (b) bewegen Sie den Laserstrahl relativ zu einem stationären Teil oder (c) eine Kombination aus beiden. Die letztgenannte Kombination bietet die größte Flexibilität in Bezug auf Schneidgeometrien. Die beiden häufigsten Arten, ein Teil zu bewegen, sind xyz-Verschiebungen mit linearen Bewegungstischen oder Rotationen mit einem Drehtisch. Ersteres wird für flache Teile verwendet, Letzteres für rohrförmige oder 3D-geformte Teile. Der Laserstrahl kann mit einer „fliegenden Optik“ bewegt werden, bei der sich die Fokussierlinse in einer Art Portal über das Teil bewegt, oder durch schnelles Scannen mit optogalvanischen Spiegeln hinter einer so genannten F-Theta-Linse, die ein flaches Scanfeld erzeugt.

Dank der Möglichkeit, sowohl das Teil als auch den fokussierten Laser zu bewegen, kann eine Laserschneidmaschine so konzipiert werden, dass sie nahezu jede Geometrie bearbeiten kann: röhrenförmige Teile, flache Muster und alle Arten von 3D-Formen. Wenn Sie es in einer CAD-Datei erstellen können, dann gibt es eine Laserschneidmaschine, die es aus einem leeren Substrat erstellen kann.

Gängige Lasertypen

Die drei gängigsten Lasertypen, die in Laserschneidmaschinen integriert werden, sind versiegelte CO2-Laser, Nanosekunden-Faserlaser und Ultrakurzpulslaser (USP). Die optimale Wahl hängt von der Art des zu schneidenden Materials, seiner Dicke und der gewünschten Kantenqualität ab.

Versiegelte CO2-Laser liefern eine hohe Leistung im mittleren Infrarotbereich und eignen sich daher hervorragend zum Schneiden von so unterschiedlichen Materialien wie Keramik, Papier, Stein und Plastik. Mit einer Leistung von einigen Watt bis zu Hunderten von Watt können sie sowohl eine hohe Leistung als auch ein gutes Leistungs-/Kostenverhältnis liefern, so dass sie gut für schnelle Schnitte geeignet sind. Die Qualität der Kanten weist jedoch oft thermische Effekte auf und kann bei einigen Anwendungen eine Nachbearbeitung erfordern.

Nanosekunden-Faserlaser machen derzeit den größten Anteil am Markt für Laserschneiden aus. Mit einer Auswahl an Infrarot- und sichtbaren Ausgängen können sie auf vielen verschiedenen Materialien angewendet werden: Metalle, Plastik, andere organische Stoffe. Sie können mit einer Präzision im Mikrometerbereich schneiden und eignen sich daher zum Schneiden von medizinischen Instrumenten und wiederverwendbaren Materialien. Aber für Anwendungen wie Stents, die eine hohe Kantenqualität erfordern, ist eine Nachbearbeitung erforderlich.

USP-Laser mit Pikosekunden- oder Femtosekunden-Pulsbreiten sind mit Infrarot-, sichtbaren oder UV-Ausgängen erhältlich. Ihre kurzen Pulsbreiten liefern eine unübertroffene Kantenqualität mit praktisch keiner Wärmeeinflusszone (HAZ). Dadurch wird selbst bei den anspruchsvollsten Schneide- und Ritzanwendungen eine Nachbearbeitung oft überflüssig. Aber sie verursachen die höchsten Kosten pro Watt. Und ihre relativ geringe Leistung – wenige Watt bis einige zehn Watt – begrenzt ihre Schneidgeschwindigkeit.

Fazit: Wenn Sie sicher sein wollen, dass Sie wirklich den optimalen Laser für Ihre Schneidanwendung erhalten, sollten Sie nur einen Anbieter wählen, der alle diese Optionen anbietet.

Software, Automatisierung und Prozessüberwachung

Der offensichtliche Zweck einer Laserschneidmaschine ist es, eine schlüsselfertige Lösung für Ihre Schneidanwendung zu bieten, ohne dass Sie ein Experte im Umgang mit Lasern sein müssen. Je nach Format reicht der Betrieb von halbmanuell bis vollautomatisch mit geschlossenem Regelkreis. Mit der Option automatischer Teilezuführungen ermöglicht dies einen langen, unbeaufsichtigten Betrieb, bei dem Hunderte oder sogar Tausende von Teilen geschnitten werden.

Die Steuerung der Software erfolgt in der Regel über ein objektgesteuertes, benutzerfreundliches GUI. Ein Beispiel dafür ist Laser Framework, das mit vielen Schneidmaschinen von Coherent geliefert wird und das den Entwurf, die Ausführung und die Überwachung visueller Prozesse rationalisiert. Dies alles führt zu einer schnelleren Auftragseinrichtung, höherer Produktivität der Bediener, weniger Produktionsfehlern und weniger Personalschulungen.

Moderne Laserschneidmaschinen bieten auch die Möglichkeit der Laserüberwachung, um sicherzustellen, dass der Strahl genau nach Vorgabe arbeitet. Dank KI kann Ihnen das Überwachungssystem sogar den wahrscheinlichen Grund für jeden Laserfehler nennen.

Spezialisierung auf Maschinen

Was die Anwendungsoptimierung betrifft, so reichen die Laserschneidmaschinen von Allzweckmaschinen über Maschinen, die für eine bestimmte Reihe von Anwendungen oder Branchen optimiert sind, bis hin zu Maschinen, die für eine bestimmte Aufgabe optimiert sind.

Allzweckgeräte wie die MPS-Familie von Coherent zeichnen sich durch eine Vielzahl von Auswahlmöglichkeiten und Optionen aus. Die Größe der Maschine, die Details der Schneidplattform, die Wahl des Lasers und die Bewegungsachsen (linear und rotierend) werden vom Benutzer festgelegt.

Beispiele für Maschinen, die für eine Reihe von Anwendungen optimiert sind, ist die StarCut Tube-Serie, die besonders in der Medizintechnik beliebt ist. Diese Maschinen sind für das Präzisionsschneiden von kleinen Teilen mit einem Faserlaser oder USP-Laser optimiert. Sie sind hauptsächlich für rohrförmige Teile gedacht, können aber auch aus kleinen, flachen Substraten schneiden.

Ein Beispiel für den Maschinentyp „Einzelaufgabe“ ist das NA-Nadelbohrsystem. Diese Produktserie ist ausschließlich für das Bohren von Sacklöchern in herkömmlichen und miniaturisierten chirurgischen Nadeln ohne unerwünschte thermische Schäden ausgelegt.